石墨烯、石墨炔和碳纳米管(CNT)等由碳原子组成的新型纳米材料,已经表现出了非常出色的电子、机械、光学和热性能,在生物医学应用方面吸引了人们极大的研究兴趣。由于这些新颖的纳米材料具有广泛的应用,因此很有可能进入人体。当这些纳米颗粒暴露在人体中之后,它们与重要生物分子的相互作用可能会对生物体产生潜在的不利影响,对人类的健康可能会有潜在毒性,因此评估这些潜在毒性的威胁已经成为毒理学研究的重要领域。然而,大多数针对碳基纳米材料的毒理学研究主要是集中在细胞以及组织水平上。仅在近些年来,研究者们才进行了最先进的实验来评估石墨烯在分子水平上在人体外和体内的毒性。分子动力学(MD)模拟的方法是一种已经被广泛用于研究纳米材料和生物分子之间原子水平机制的有效工具。本论文选取的是大规模的全原子的分子动力学模拟的方法,系统的研究了四种不同纳米材料与蛋白质的界面作用机制。首先,我们考察的是氧化石墨烯(GO)通过人体免疫缺陷病毒(HIV-1)整合酶(IN)的C末端DNA结合结构域来影响蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)。在整合酶的功能性聚合中,该结构域会非特异性的结合病毒DNA的末端。在这里,我们用MD模拟来研究GO片是如何影响蛋白二聚体的复合物。模拟轨迹的详细分析表明,GO可能干扰PPI并潜在地破坏细胞中蛋白质复合物的生物学功能。然后,我们又研究了石墨炔与钙调蛋白(CaM)的结合。我们研究的是石墨炔纳米片(GYNS)和石墨炔量子点(GYQD;单侧表面积145 A2)对有Ca2+结合的CaM(Holo-CaM)和没有Ca2+结合的CaM(Apo-CaM)的影响。石墨炔可以通过强疏水性相互作用与CaM结合,这表明它可能干扰CaM结合靶肽并因此干扰Ca2+信号转导途径。而另一方面,应用纳米技术改善疾病的诊断、治疗、监测和预防是纳米医学的目标。因此在这一部分,我们用功能化的单壁碳纳米管(CNT)模拟物结合到人类白细胞抗原-T细胞受体(HLA-TCR)免疫复合物,为人类免疫缺陷病毒(HIV)疫苗研制,作潜在纳米医学的有益尝试。我们的研究结果表明设计的CNT-肽模拟物具有激活TCR途径的有利倾向,并且应该进一步探索以了解其治疗潜力。最后,我们比较了石墨烯和与石墨烯同为疏水性纳米材料的MoS2纳米片对亨廷顿蛋白(HTT-N17)的前17个残基的折叠的影响。经过比较,我们可以更加深入的去理解蛋白质在不同纳米材料上折叠显示出的明显差异。即,蛋白质在石墨烯表面上是无序的,但在MoS2表面上是螺旋状的。尽管纳米片-水界面处的两亲性环境促进了两亲性蛋白质(如HTT-N17)的折叠,蛋白质-纳米片和蛋白质内相互作用之间的竞争产生了非常不同的蛋白质构象。综上所述,通过考察不同的纳米材料与蛋白质的相互作用,让我们更深入更系统的理解了不同的纳米材料与蛋白质的界面作用机制。